摘要：文章以小齒輪電動助力轉向(P-EPS)系統(tǒng)為對象，目前電動助力轉向系統(tǒng)的建模與仿真研究多是建立在數學模型上，與實際模型相比，數學模型往往忽略了實際參數影響與實際系統(tǒng)有較大偏差。結合目前電動轉向系統(tǒng)控制策略已有研究基礎，采用 AMESim 半物理仿真軟件建立了 P-EPS 系統(tǒng)的物理模型，并提出一種適合該系統(tǒng)的三控制兩補償的控制策略，結合所搭建半物理模型進行了仿真研究，驗證了其正確性和可行性。結果表明，應用 AMESim 搭建的 P-EPS 控制性能效果良好且易于實現，為 P-EPS 控制策略的進一步開發(fā)提供了參考依據。
隨著汽車技術的發(fā)展和電力電子器件技術的成熟，電動助力轉向系統(tǒng)作為現代汽車的關鍵技術之一受到越來越多的關注。小齒輪電動助力轉向(Pinion Electric Power Steering, P-EPS)系統(tǒng)以其結構緊湊、響應迅速、助力效果好等優(yōu)點，在車輛中得到了廣泛應用，然而，P-EPS 的性能受到多種因素的影響，如：車速、方向盤轉角、駕駛員力矩等，因此，搭建適合的仿真模型來研究 P-EPS 有效控制策略，對于提高系統(tǒng)的性能至關重要。AMESim 作為一款強大的工程系統(tǒng)仿真軟件，建模過程中用戶不需要去推導復雜的數學模型，通過軟件內包含多種基本元素結合實際物理系統(tǒng)搭建自定義仿真模型即可，為 P-EPS 仿真建模和控制策略研究提供了有力的工具。
陳迎燕等利用 MATLAB/Simulink 構造了 EPS 仿真模型，采用了模糊比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative, PID)自整定助力電流控制策略，提高了操控靈活性。劉小云等針對車輛行駛跑偏問題，提出了電動助力轉向拉拽補償對跑偏的優(yōu)化方法并行了效果測試。商顯赫等結合 CarSim 和 MATLAB/Simulink 建立整車聯(lián)合模型進行仿真，通過和傳統(tǒng) PID 控制策略對比，在響應速度和超調量方面實現了更好的控制效果。本文采用 AMESim 搭建了 P-EPS 系統(tǒng)的仿真模型，設計了一種三控制兩補償的控制策略并進行了仿真試驗，控制策略效果驗證了其正確性和有效性。
1、P-EPS 系統(tǒng)和仿真模型
P-EPS 系統(tǒng)工作原理
電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)通過電機提供轉向輔助動力，電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)根據車速和駕駛員施加在轉向盤上的力計算出目標輔助力矩，通過電流直流指令給到助力 電機輸出力矩，使得 EPS 系統(tǒng)實現低速轉向輕便性，保證高速轉向穩(wěn)定性。P-EPS 系統(tǒng)是一種電機及減速器與轉向器上的小齒輪相連接的 EPS 系統(tǒng)，由機械和電子兩部分組成。機械部分包括轉向盤、轉向軸、扭桿、減速增扭的渦輪蝸桿機構、帶動車輪偏轉的齒輪齒條機構等，電子部分由 ECU、助力電機、車速傳感器、角度傳感器、扭矩傳感器等組成。其簡化結構圖如圖 1 所示。
AMESim 仿真模型與調試
AMESim 是專門為流體(液體及氣體)、機械、控制、電磁等工程系統(tǒng)開發(fā)的一款較完善的綜合仿真環(huán)境，具有完善的機械、電機和控制信號元件庫。針對 P-EPS 系統(tǒng)結構組成和 AMESim 軟件中的已有元件搭建了合適的 P-EPS 系統(tǒng)仿真模型，如圖 2 所示。
為驗證所搭建模型的正確性，分別選取模型的機械部分中齒條齒條機構和電子部分中助力電機進行測試。當電機堵轉時，隨著助力電機輸入電壓變化輸出扭矩也隨之改變，輸入與輸出基本呈現正相關關系，檢測電機電壓與扭矩關系如圖 3 所示，測試結果與實際情況相符。
通過轉向盤與轉向軸模型輸入線性扭矩，在無其他外界輸入情況下檢測齒輪齒條位移與輸入扭矩關系如圖 4 所示，測試結果表明齒條輸出位移隨輸入扭矩正比例增大，考慮轉動慣量與摩擦因數影響，輸入扭矩與齒條輸出位移和實際情況基本相當。
2、P-EPS 控制策略的設計
汽車助力轉向系統(tǒng)輔助駕駛員在不同車速下控制車輛運動方向，傳遞不同路況和車速條件下的路感信息，設計良好的控制策略是體現 P-EPS 性能的關鍵因素。P-EPS 系統(tǒng)目標是根據車輛速度、轉向盤力矩大小、轉向機角度變化快慢等輸入信號不同，控制助力電機輸出準確的扭矩，實現車輛轉向的舒適、穩(wěn)定和安全。P-EPS 的控制對象為助力電機的扭矩輸出，而電機所輸出電磁轉矩的大小與電樞電流成正比，因此，助力電機轉向扭矩的控制實際為電機目標電流控制，包括常規(guī)助力控制、主動回正控制和阻尼補償控制。
為減小助力電機目標電流和實際工作電流誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應速度，控制電流采用增量式 PDI 閉環(huán)電流前饋控制，考慮實際轉向時的轉動慣量和摩擦因數，助力電機目標電流前饋補償分別為轉動慣量補償電流和摩擦補償電流，通過電流反饋能夠實現助力電機依據助力特性連續(xù)穩(wěn)定出力，改善電機響應速度，使得助力電機平穩(wěn)助力，保持穩(wěn)定回正。綜合 P-EPS 工作原理及所設計的三種控制兩種補償的控制策略，P-EPS 控制框圖如圖 5 所示。
3、控制策略仿真及結果分析
在所搭建的 P-EPS 仿真模型的基礎上，對所提出的控制策略進行仿真研究。車輛轉向助力實際控制過程中存在很多非線性因素，例如路況、負載擾動、駕駛習慣差異等因素影響。基于 AMESim 仿真模型研究與測試結果與實際的真實情況會存在部分誤差，但仿真研究成本低速度快且可實施性強，對于實際試驗提供了借鑒和參考價值。
常規(guī)助力控制
常規(guī)助力控制是車輛轉向過程中的基本控制模式，助力電機輸出的助力扭矩是通過助力特性曲線來確定的。助力特性曲線將車速、轉向盤轉矩大小和電機輸出扭矩的關系表示出來，由于電機輸出扭矩大小與電機輸入電流有一定關系，且隨著車速變化也隨之發(fā)生變化，因此，采用電機電流與車速、轉向盤扭矩的關系表示助力特性，仿真結果如圖 6 所示。可以看出助力特性曲線在不同速度下轉向盤轉矩與電機電流關系，在轉向盤轉矩在 1 Nm 及以下時助力電機沒有電流，隨著轉矩增大電流隨之平滑增大，沒有發(fā)生突變，當轉矩大于 8 Nm 時，電機電流飽和不再增大。
主動回正控制
設定車速為 0 km/h，測試將轉向盤先向右轉動90°待轉向盤回正后再向左轉動 90°回正后的轉向盤轉矩和電機電流關系，圖 7 描述了助力電機主動回正控制時助力特性曲線。對比圖 7(a)和圖 7(b)在前 10 s 電機處于常規(guī)助力控制，第 10 s 進入主動回正控制電機電流變?yōu)?0，由于轉向回正存在反向殘余角度，電機根據角度傳感器信號帶動轉向盤回中，因而存在小數值的反相電流。
阻尼控制
當快速轉動轉向盤時，轉向輸入扭矩很大和轉向瞬間角速度很大，助力電機輸出轉矩也比較大。為了因為慣性作用造成的防止轉向盤過渡旋轉，需要對電機進行阻尼控制，改善車輛高速轉向的穩(wěn)定性，助力電機阻尼控制電機電流收斂情況如圖 8 所示。可以看出在 1 s 的時間內迅速轉動轉向盤并突然停止，電機電流相應立即減小且產生反向電流促使轉向盤迅速停止，有效防止了轉向系統(tǒng)因慣性造成的超調，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
摩擦和慣性補償后效果
為了顯示控制策略中添加摩擦和慣性補償后對電機性能的提升效果，設置方向盤線型轉動，在 10 s 時轉動 105°然后對比加入兩種補償后回正和未采用主動回正控制的結果，如圖 9 所示。由圖 9 可以看到加入兩種補償后在第 12 s 時刻方向盤角度為零，而未添加補償時在第 14 s 時刻方向盤角度才為零，說明加入摩擦和慣性補償后電機在回正性能和響應速度上均有一定改善，轉向時電機響應速度更快，在回正時有 2 s 的提升效果且殘留角度更小。
4、結論
在總結目前電動轉向助力系統(tǒng)系統(tǒng)仿真及控制策略研究基礎上，對 P-EPS 展開研究工作，通過 AMESim 建立了 P-EPS 的半物理模型并對部分機械電子模型的正確性進行了測試，針對所提出的三控制兩補償控制策略進行仿真分析，測試結果表明所設計的控制策略達到了預期目標，表明了該仿真模型和控制策略的正確性和有效性，為臺架或實車設計提供了參考依據。
參考文獻略.